1-3-微电子技术.pptx

(1)微电子技术与集成电路1微电子技术微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础微电子技术的核心是集成电路技术2什么是电子电路？电子电路由电阻，电容，电感和二极管、晶体管等元器件组成，它们通过导线连接起来，使电流在其中流动，完成信号的生成、放大、变换或传输等功能3什么是电子电路？过去，电路由单个元器件（分立元件）和电线连接而成，现在，则大多制作成集成电路形式4电路板电路板5电子电路中元器件的发展演变晶体管晶体管(1948)中中/小规模小规模集成电路集成电路(1950s)微电子技术是以微电子技术是以集成电路集成电路为核心的电子技术，为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。展起来的。大规模大规模/超大规模超大规模集成电路集成电路(1970s)电子管电子管(1904)6电子电路中使用的基础元件的演变基础元件 具有开关和放大作用的电子元件（例如，二极管，三极管等）。基础元件的演变 真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路7电子电路使用的基础元件的演变8真空电子管 在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机。红红灯灯牌牌电电子子管管收收音音机机电子电路使用的基础元件的演变1904年 英国电气工程师弗莱明（John Ambrose Fleming）真空二极管1906年 美国工程师德福雷斯特(Lee De Forest）真空三极管标志世界从此进入电子时代标志世界从此进入电子时代电子电路使用的基础元件的演变晶体管 1948年发明了晶体管，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产生了第二代计算机电子电路使用的基础元件的演变19561956年诺贝尔奖年诺贝尔奖年诺贝尔奖年诺贝尔奖肖克利肖克利肖克利肖克利William Bradford ShockleyWilliam Bradford Shockley巴丁巴丁巴丁巴丁John BardeenJohn Bardeen布拉顿布拉顿布拉顿布拉顿Walter BrattainWalter Brattain11电子电路使用的基础元件的演变世界上第一只晶体管世界上第一只晶体管世界上第一只晶体管世界上第一只晶体管各种类型的晶体管各种类型的晶体管各种类型的晶体管各种类型的晶体管TRADICTRADIC计算机计算机计算机计算机 ,1955,1955年年年年第一台全晶体管计算机第一台全晶体管计算机第一台全晶体管计算机第一台全晶体管计算机12什么是集成电路？集成电路(Integrated Circuit，简称IC)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路13电子电路使用的基础元件的演变第一个集成电路第一个集成电路第一个集成电路第一个集成电路14各种各样的集成电路15IC是所有电子产品的核心16集成电路集成电路的制作材料 半导体材料硅(Si)化合物半导体如砷化镓(GaAs)等集成电路的特点体积小、重量轻、可靠性高17集成电路的分类按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：集成电路规模集成电路规模元器件数目元器件数目小规模集成电小规模集成电路（路（SSI）100中规模集成电中规模集成电路（路（MSI）1003000大规模集成电大规模集成电路（路（LSI）300010万万超大规模集成超大规模集成电路（电路（VLSI）10万万几十亿几十亿极大规模集成极大规模集成电路（电路（ULSI）100万万集成电路的分类19(2)集成电路的制造20集成电路的制造集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。21制造业制造业集成电路的制造过程集成电路的制造过程22集成电路的制造过程硅抛光片硅抛光片单晶单晶硅锭硅锭单晶硅锭经切单晶硅锭经切割、研磨和抛割、研磨和抛光后制成镜面光后制成镜面一样光滑的圆一样光滑的圆形薄片，称为形薄片，称为“硅抛光片硅抛光片”晶圆晶圆晶圆晶圆硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺包括氧化、光刻、硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作的硅片称作“晶圆晶圆”芯片芯片芯片芯片检测、分类检测、分类检测、分类检测、分类集成电路集成电路集成电路集成电路封装封装封装封装对晶圆上的每个对晶圆上的每个电路进行检测，电路进行检测，然后将晶圆切开然后将晶圆切开成小片，把合格成小片，把合格的电路分类，再的电路分类，再封装成一个个独封装成一个个独立的集成电路立的集成电路成品测试成品测试成品测试成品测试成品成品成品成品进行成品测试，进行成品测试，按其性能参数按其性能参数分为不同等级，分为不同等级，贴上规格型号贴上规格型号及出厂日期等及出厂日期等标签，成品即标签，成品即可出厂可出厂23集成电路制造厂生产的产品晶圆切片（简称晶圆）像镜子一样的光滑圆形薄片，是供芯片生产的后道工序作深加工的原材料。集成电路芯片（简称芯片）直接应用在计算机、电子、通讯等许多行业上的最终产品。包括CPU、内存单元和其它各种专业应用芯片。24芯片制造流程晶圆处理在晶圆上制作电路及电子元件，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒。这个处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。25处理后的晶圆处理后的晶圆排满成百上千个集成电路排满成百上千个集成电路IC技术发展增大晶圆面积增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片比如，使用0.13微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺在300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，而实际成本提高不多 26芯片制造流程晶圆针测用针测（Probe）仪对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒。一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。检测、切开后，再按其电气特性分类，装入不同的托盘中，不合格的晶粒则舍弃。27芯片制造流程封装 将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊。28封装后的封装后的集成电路集成电路集成电路生产线集成电路产业发展迅速，创新能力不断增强。图为我国中芯国际集成电路有限公司12英寸超大规模集成电路生产线 29FC-PGA2 FC-PGA2 封装方式封装方式（Pentium 4 Pentium 4 处理器）处理器）集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路的封装30集成电路集成电路封装目的：封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能电功能、散热功能、机械与化学保护功能芯片制造流程双列直插封装双列直插封装DIPDIP(Dual In-line Package)(Dual In-line Package)(主板主板BIOSBIOS芯片芯片)塑料有引线芯片载体塑料有引线芯片载体PLCCPLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)(Plastic Leaded Chip Carrier)(主板主板BIOSBIOS芯片芯片)31芯片制造流程塑料四边引出扁平封装塑料四边引出扁平封装PQFPPQFP(Plastic Quad Flat Package)(Plastic Quad Flat Package)(主板集成的声卡芯片主板集成的声卡芯片)球栅阵列封装球栅阵列封装BGABGA(Ball Grid Array(Ball Grid Array Package)Package)(主板北桥芯片主板北桥芯片)32芯片制造流程小外形封装小外形封装SOPSOP(Small Outline Package)(Small Outline Package)（主板频率发生器芯片）（主板频率发生器芯片）33芯片制造流程34Micro-BGA2Micro-BGA2封装封装 的笔记本电脑的笔记本电脑CPUCPU478478脚脚P4CPUP4CPU的的BGABGA插座插座芯片制造流程成品测试 一般测试：将芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。35集成电路成品集成电路成品(3)集成电路的发展趋势36集成电路的发展趋势集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。37 IC集成度提高的规律Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番 (Gordon E.Moore,1965年)例：例：Intel微处理器集成度的发展微处理器集成度的发展1 000197019751980198519901995200010 000100 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 QuadCORE i7n酷睿酷睿2双核双核（2006）291410M晶体管晶体管n酷睿酷睿2四核四核（2007）820M 晶体管晶体管nCore i7 六核（六核（2010）10亿亿 晶体管晶体管38集成电路技术的发展趋势199920012004200820102014工艺工艺(m)0.180.130.090.0450.0320.014晶体管晶体管(M)23.847.613553910003500时钟频率时钟频率(GHz)1.21.62.02.6553.810面积面积(mm2)340340390468600901连线层数连线层数6789910晶晶圆圆直直径径(英英寸寸)121214161618 减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸 增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片39进一步提高集成度的问题与出路问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成40(4)IC卡简介41什么是IC卡？几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。42什么是 IC卡？IC卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）43IC卡的类型(按芯片分类)存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便，有一定安全措施。用于电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡44IC卡的类型(按使用方式分类)接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等 接触式接触式IC卡卡接触式接触式IC卡的结构卡的结构非接触式非接触式IC卡卡45非接触式IC卡的工作原理（选学）读卡器发出一组固定读卡器发出一组固定频率的无线电波频率的无线电波(射频射频信号信号)，通过天线向外，通过天线向外发射发射IC卡激活后，通过辐射电卡激活后，通过辐射电磁信号将卡内数据发射出磁信号将卡内数据发射出去去(或接收读卡器送来的数或接收读卡器送来的数据据)当当IC卡处在读卡器有效范围卡处在读卡器有效范围(一般为一般为510cm)内时，卡内的一个内时，卡内的一个LC串联谐串联谐振电路振电路(谐振频率相同的谐振频率相同的)便产生电磁便产生电磁共振，使电容充电，从而为卡内其它共振，使电容充电，从而为卡内其它电路提供电路提供2V的工作电压的工作电压读卡器收到数据后，通过接口将读卡器收到数据后，通过接口将IC卡数据传送给卡数据传送给PC，PC将判断该卡将判断该卡的合法性，作出相应处理的合法性，作出相应处理46非接触式IC卡在身份证中的使用第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能：电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。以后还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提高防伪性能数字管理功能：存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储，按不同安全等级授权读写采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身份识别，使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用 47什么是电子标签(RFID)？电子标签RFID(Radio Frequency Identification)，即射频标识技术，用于控制、检测和跟踪物体 标签进入阅读器磁场的有效范围后，发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签)，或者主动发送某一频率的信号(有源标签)；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理48RFID应用举例（1）当电子标签进入阅读器的磁场后，它接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的信息，由阅读器读取，然后送CPU进行处理 电子标签电子标签天线天线阅读器阅读器使用使用RFID的车辆电子收费系统的车辆电子收费系统49（2）（3）（4）（5）（4）（1）（2）RFID应用举例（2）使用使用RFID的图书馆管理系统的图书馆管理系统50